新算法可模擬人腦整體神經(jīng)電路

陳超

日本理化學(xué)研究所日前宣布，他們的一個(gè)國際聯(lián)合研究小組成功開發(fā)出模擬人腦整體神經(jīng)電路的算法，可在下一代超級計(jì)算機(jī)上應(yīng)用。新算法不僅節(jié)省內(nèi)存，也能大幅提高現(xiàn)有超級計(jì)算機(jī)上的腦模擬速度。

神經(jīng)細(xì)胞是可發(fā)出電信號進(jìn)行信息交換的特殊細(xì)胞，人類大腦中約為160億個(gè)，小腦中約為690億個(gè)，整個(gè)人腦約有860億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。神經(jīng)細(xì)胞通過突觸連接形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，但目前，即使利用最先進(jìn)的超級計(jì)算機(jī)也無法模擬人腦整體規(guī)模的神經(jīng)細(xì)胞電信號交換。為了模擬大腦，需要預(yù)先創(chuàng)建神經(jīng)細(xì)胞和突觸虛擬內(nèi)存。在模擬中，所有神經(jīng)細(xì)胞的電信號被發(fā)送到每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，并判斷哪個(gè)電信號應(yīng)該被遞送到哪個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。在可模擬的大腦范圍，這種方法利用目前的超級計(jì)算機(jī)效率較高。

下一代超級計(jì)算機(jī)模擬的大腦范圍非常巨大，當(dāng)每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)接收到所有神經(jīng)細(xì)胞的電信號時(shí)，無用的電信號比例大且效率低，因此對整個(gè)大腦神經(jīng)電路的模擬變得非常困難。此外，下一代超級計(jì)算機(jī)使用目前的方法，也會(huì)造成內(nèi)存消耗大等問題。

此次開發(fā)的新算法，在模擬開始時(shí)即交換信息，來判斷在計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間是否需要預(yù)先發(fā)送電信號，因而可以只發(fā)送和接收每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)所需的電信號，避免了發(fā)送和接收無用信號，同時(shí)也避免了讓內(nèi)存判斷是否發(fā)送電信號給神經(jīng)細(xì)胞。通過這些手段，即使神經(jīng)電路的規(guī)模增加，每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存量也不會(huì)增加，由此節(jié)省了內(nèi)存。迄今為止，超級計(jì)算機(jī)“京”已被用于帕金森氏病的腦病理學(xué)模擬。今后將通過下一代超級計(jì)算機(jī)“后京”模擬整個(gè)人腦神經(jīng)電路，以期闡明運(yùn)動(dòng)控制及思維的信息處理機(jī)制。